一种type C切换host和device模式的切换电路
技术领域
[0001] 本
发明涉及USB
接口技术领域，尤其涉及一种type C切换host和device模式的切换电路。
背景技术
[0002] 现有移动平台很多都只支持一个type C接口，这个接口同时兼具连接电脑，充电和外接从设备的功能。因为只有一个type C接口，无法满足同时支持多个USB外设并且能充电和连接电脑做debug及数据传输的要求，有很大的局限性，难以实现产品的多样化需求。。
发明内容
[0003] 为解决
现有技术中的问题，本发明提供一种type C切换host和device模式的切换电路。
[0004] 本发明包括type C接口、USB模式切换模
块、DSP、电源管理模块、与电源管理模块相连的充电模块和与所述充电模块相连的
电池，其中，所述DSP分别与USB模式切换模块、电源管理模块相连，所述电源管理模块为整个电路供电，所述USB模式切换模块分别与所述充电模块和type C接口相连。
[0005] 本发明作进一步改进，还包括USB扩展模块，所述USB扩展模块分别与DSP和USB模式切换模块相连，用于将DSP给出的USB
信号扩展成多路USB信号。
[0006] 本发明作进一步改进，所述USB扩展模块包括集线器HUB、分别与集线器HUB相连的2个以上的USB接口，还包括升压单元、过流保护单元，其中，所述集线器HUB分别与DSP和USB模式切换模块相连，所述升压单元和过流保护单元分别为所述集线器HUB和USB接口提供稳定电源，所述升压单元输入端与电源管理模块输出端电性连接，所述升压单元输出端与过流保护单元的输入端电性连接，所述过流保护单元输出端与USB接口电性连接，所述升压单元还通过信号线与DSP相连。
[0007] 本发明所述USB模式切换模块包括插入侦测电路、VBUS电源路径管理电路和USB DM/DP切换电路，其中，插入侦测电路的输入端与type C接口相连，输出端与DSP输入端相连，所述VBUS电源路径管理电路和USB DM/DP切换电路的输入端分别与DSP输出端相连，所述USB DM/DP切换电路还分别与type C接口和USB扩展模块相连。
[0008] 本发明所述插入侦测电路包括
开关管Q1、
电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C2，其中，所述开关管Q1的源极接地，漏极分别与电阻R1的一端、接地电容C2和DSP的检测引脚相连，所述电阻R1的另一端接1.8V电源，所述开关管Q1的栅极分别与电阻R2和电阻R3的一端相连，所述电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端接type C接口的VBUS引脚。
[0009] 本发明所述VBUS电源路径管理电路包括开关管Q2-Q5及其外围阻容器件、
二极管D1，其中，
[0010] 所述开关管Q4的漏极分别与开关管Q2栅极、开关管Q3栅极和充电IC相连，所述开关管Q4的源极接地，栅极分别下地电阻R7的一端、电阻R14的一端、电阻R6的一端相连，所述电阻R14的另一端与二极管D1的负极相连，二极管D1的正极与DSP的host模式使能引脚相连，
[0011] 所述开关管Q2的源极与type C接口的VBUS引脚，开关管Q3的源极与充电模块相连，所述开关管Q2的漏极与所述开关管Q3的源极相接，并通过电阻R4与开关管Q4的漏极相连，所述开关管Q2源极通过C3与基极相连，所述开关管Q3源极通过C4与基极相连。
[0012] 所述开关管Q5的源极接地，漏极接type C接口的VBUS引脚，栅极通过电阻R8分别与接地电阻R9和DSP的模式切换引脚相连。
[0013] 本发明作进一步改进，所述USB DM/DP切换电路包括用于切换CC信号的切换芯片U1和用于切换USB_DM/DP信号的切换芯片U2，其中，
[0014] 所述切换芯片U1设有诱骗系统进入host模式的HSD2-引脚6和HSD2+引脚7，其中，所述HSD2-引脚6或HSD2+引脚7分别设有接地电阻，所述接地电阻的阻值为5.1k欧姆，还包括与充电模块相连的D+引脚1、D-引脚2，与DSP的模式切换引脚相连的SEL引脚10、分别接地的OE引脚8和GND引脚3接地、接电源的VCC引脚9、与所述type C接口两个CC引脚相连的HSD1-引脚4、HSD1+引脚5；
[0015] 所述切换芯片U2的结构与切换芯片U1相同，其中，所述切换芯片U2的D+引脚1、D-引脚2分别与DSP相连，所述切换芯片U2的HSD1-引脚4、HSD1+引脚5分别与type C接口的DP和DN引脚相连，所述切换芯片U2的HSD2-引脚6或HSD2+引脚7分别与HUB扩展模块相连。
[0016] 本发明作进一步改进，所述切换芯片U2的HSD1-引脚4、HSD1+引脚5之间设有共模电感L1，所述切换芯片U2的HSD2-引脚6或HSD2+引脚7之间设有共模电感L2。
[0017] 本发明作进一步改进，所述type C接口包括设置在所述type C接口一侧的引脚A1-A12，设置在type C接口另一侧的引脚B1-B12，其中，所述引脚A1、引脚A12、引脚B1和引脚B12接地，引脚A2-3、A8、A10、A11、引脚B2-3、B8、B10、B11悬置，引脚A4、A9和引脚B4、B9为VBUS引脚，连接VBUS_TYPEC信号线，引脚A5为CC1引脚，引脚B5为CC2引脚，引脚A6为DP1引脚，引脚B6为DP2引脚，引脚A7为DN1引脚，引脚B7为DN2引脚，所述type C接口的引脚A6与引脚B6短接，连接USB_DP_TYPEC信号线，所述引脚A7与引脚B7短接，连接USB_DM_TYPEC信号线。
[0018] 本发明作进一步改进，所述USB_DP_TYPEC信号线和USB_DM_TYPEC信号线上分别设有通过电阻连接到充电模块的充电线，所述CC1引脚、CC2引脚、USB_DP_TYPEC信号线和USB_DM_TYPEC信号线上分别设有一个接地的TVS管。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：不需要
修改原系统的USB驱动和充电部分，仅需添加几个控制脚即可完成type C接口的host和device状态切换，并同时兼容充电自带的快充协议，具有设计简单，成本低廉，
软件修改及维护简单的优点。
附图说明
[0020] 图1为本发明结构示意图；
[0021] 图2为本发明type C接口电路原理图；
[0022] 图3为插入侦测电路原理图；
[0023] 图4为VBUS电源路径管理电路原理图；
[0024] 图5为USB DM/DP切换电路原理图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和
实施例对本发明做进一步详细说明。host和device模式[0026] 如图1所示，本发明包括type C接口、USB模式切换模块、DSP、电源管理模块、与电源管理模块相连的充电IC和与所述充电IC相连的电池，其中，所述DSP分别与USB模式切换模块、电源管理模块相连，所述电源管理模块为整个电路供电，所述USB模式切换模块分别与所述充电IC和type C接口相连。
[0027] 还包括USB扩展模块，所述USB扩展模块分别与DSP和USB模式切换模块相连。所述USB扩展模块包括集线器HUB、分别与集线器HUB相连的2个以上的USB接口，还包括升压单元、过流保护单元，其中，所述集线器HUB分别与DSP和USB模式切换模块相连，所述升压单元和过流保护单元分别为所述集线器HUB和USB接口提供稳定电源，所述升压单元输入端与电源管理模块输出端电性连接，所述升压单元输出端与过流保护单元的输入端电性连接，所述过流保护单元输出端与USB接口电性连接，所述升压单元还通过信号线与DSP相连。
[0028] type C接口用于软件下载、debug、数据传输及充电功能，电池给整个系统供电，充电模块的充电IC提供充电、USB HOST 5V供电及
电流路径管理功能。电源管理模块提供平台需要的各种供电，DPS负责控制外围器件及进行USB通信，USB模式切换模块提供USB插入侦测、USB host和device模式的电源路径、USB信号和CC信号的切换。USB扩展模块负责将DSP给出的USB信号扩展成多路USB信号。
[0029] 本发明在关机状态及软件下载状态下，默认为device模式(从设备模式)，USB信号默认接到type C接口，可以执行关机充电和下载功能，开机后可以控制从默认切换到host模式(主设备模式)，使用HUB扩展USB接口接外设。在type C口插入电脑时自动将USB信号切换回type C连接电脑做数据传输和充电，在type C口接入充电器时USB信号自动切换到type C进行充电(如果充电IC和充电器都支持快充，此时可进入快充状态)。本例可以在软件应用界面添加几个按钮，通过按钮即可轻松切换USB的host和device状态。
[0030] 本发明重新设置了type C接口和USB模式切换模块，不需要修改原软件系统的USB驱动和充电部分，所述DSP、电源管理模块、充电模块没有做任何
硬件改动，仅需添加几个控制脚即可完成type C接口的host和device状态切换，并同时兼容充电自带的快充协议，具有设计简单，成本低廉，软件修改及维护简单的优点。所述USB扩展模块兼容市面上的集线器成品。
[0031] 以下对本发明的核心部分进行详细说明。
[0032] 如图2所示，本例的type C接口包括设置在所述type C接口一侧的引脚A1-A12，设置在type C接口另一侧的引脚B1-B12，其中，所述引脚A1、引脚A12、引脚B1和引脚B12接地，引脚A2-3、A8、A10、A11、引脚B2-3、B8、B10、B11悬置，引脚A4、A9和引脚B4、B9为VBUS引脚，连接VBUS_TYPEC信号线，引脚A5为CC1引脚，引脚B5为CC2引脚，引脚A6为DP1引脚，引脚B6为DP2引脚，引脚A7为DN1引脚，引脚B7为DN2引脚。
[0033] 本例使用Type C接口的目的是和充电IC的快充功能做配合，满足快充高
电压大电流的要求。
[0034] 本例所述type C接口的引脚A6与引脚B6短接，连接USB_DP_TYPEC信号线，所述引脚A7与引脚B7短接，连接USB_DM_TYPEC信号线，可以规避type C的正反插问题，在PCB走线DM、DP的分叉尽量的短，
信号传输更加稳定。所述USB_DP_TYPEC信号线和USB_DM_TYPEC信号线上分别设有通过电阻连接到充电IC的充电线，通过电阻将USB信号分支到充电IC，用来走快充协议信号。所述CC1引脚、CC2引脚、USB_DP_TYPEC信号线和USB_DM_TYPEC信号线上分别设有一个接地的TVS管，用于EOS(电气过应
力)防护。
[0035] 在type C的VBUS信号线上接了一个电容C1和一个浪涌管ED1，电容C1作用是消除VBUS上的脉冲让VBUS电压尽量平稳，浪涌管ED1的作用是消除VBUS上的浪涌。
[0036] 如图3-5所示，本例的所述USB模式切换模块包括插入侦测电路、VBUS电源路径管理电路和USB DM/DP切换电路，其中，插入侦测电路的输入端与type C接口相连，输出端与DSP输入端相连，所述VBUS电源路径管理电路和USB DM/DP切换电路的输入端分别与DSP输出端相连，所述USB DM/DP切换电路还分别与type C接口和USB扩展模块相连。以下针对这3个部分工作原理进行详细说明。
[0037] 如图3所示，所述插入侦测电路包括开关管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C2，其中，所述开关管Q1的源极接地，漏极分别与电阻R1的一端、接地电容C2和DSP的检测引脚相连，所述电阻R1的另一端接1.8V电源，所述开关管Q1的栅极分别与电阻R2和电阻R3的一端相连，所述电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端接type C接口的VBUS引脚。
[0038] 此电路提供触发信号TYPEC_PLUG_IN_DETECT给DSP上报type C口是否插入了电脑或充电器。TYPEC_PLUG_IN_DETECT为低电平表示插入了电脑或者充电器，TYPEC_PLUG_IN_DETECT为高电平表示拔出了USB设备。
[0039] 电阻R1接VDD_1V8电压用于给TYPEC_PLUG_IN_DETECT提供稳定的1.8V上拉电平，电容C2用于给TYPEC_PLUG_IN_DETECT退耦滤波。VBUS_TYPEC电压是type C接口连接电脑或USB时接收到的VBUS电压，考虑充电模块的充电IC(简称充电IC)有快充功能的情况下VBUS_TYPEC电压会上升到12V(QC3.0协议)，此时电阻R3接地用于分压VBUS_TYPEC，使开关管Q1的栅极电压Vgs不会超过其最大工作电压范围。电阻R2起限流作用，避免开关管Q1的栅极上产生大电流脉冲。
[0040] 当电脑或充电器插入时，VBUS_TYPEC为高电平，经过R2、R3分压后的电压加在Q1的栅极上，使Vgs电压为高电平，Q1的源极和漏极导通接地，从而使TYPEC_PLUG_IN_DETECT电平为低，DSP通过侦测TYPEC_PLUG_IN_DETECT上的电平为低即可判断有电脑或充电器插入。拔出USB线时，VBUS_TYPEC为低电平，Q1的Vgs电平为低，Q1截止，TYPEC_PLUG_IN_DETECT为高电平，DSP通过侦测TYPEC_PLUG_IN_DETECT上的电平为高即可判断电脑或充电器拔出。
[0041] 如图4所示，本例的VBUS电源路径管理电路包括开关管Q2-Q5及其外围阻容器件、二极管D1，其中，
[0042] 所述开关管Q4的漏极分别与开关管Q2栅极、开关管Q3栅极、电容C3的一端、电容C4的一端和充电IC相连，所述开关管Q4的源极接地，栅极分别与下地电阻R7的一端、电阻R14的一端、电阻R6的一端相连，所述电阻R14的另一端与二极管D1的负极相连，二极管D1的正极与DSP的host模式使能引脚相连，
[0043] 所述开关管Q2的源极与type C接口的VBUS引脚，开关管Q3的源极与充电IC相连，所述开关管Q2的漏极与所述开关管Q3的源极相接，并通过电阻R4与开关管Q4的漏极相连，所述开关管Q2源极通过C3与基极相连，所述开关管Q3源极通过C4与基极相连。
[0044] 所述开关管Q5的源极接地，漏极接电阻R6的一端并且通过电阻R5接type C接口的VBUS引脚，栅极通过电阻R8分别与接地电阻R9和DSP的模式切换引脚相连。
[0045] 所述VBUS电源路径管理电路的工作原理为：
[0046] NMOS开关管Q4的栅极为低时开关管Q4截止，此时USB线插入，VBUS_TYPEC有5V供电，电压会从开关管Q2的漏极经过
体二极管导通到源极，因电阻R4连接开关管Q2和开关管Q3的源极和栅极，此时开关管Q3的Vgs＝0V，开关管Q3截止，VBUS无电压。同理，当VBUS上有5V供电时，因开关管Q2的Vgs＝0V，Q2截止，VBUS_TYPEC上也无电压。控制NMOS开关管Q4的栅极为高电平，导通开关管Q4的源极和漏极到地，使开关管Q2和开关管Q3的栅极为低电平，若VBUS_TYPEC和VBUS其中一个有高电压，开关管Q2和开关管Q3会导通，VBUS电源路径建立。
[0047] TYPEC_HOST_EN脚受DSP控制，当需要打开type C接口的OTG(On-The-Go，主要应用于各种不同的设备或移动设备间的联接，进行数据交换。)功能时，可以控制TYPEC_HOST_EN脚为高电平打开开关管Q4，使开关管Q2和开关管Q3的栅极为低电平，准备建立VBUS电源路径，同时需要控制USB_TYPE_SEL脚为低，将CC和USB_DM/DP信号切换到type C座上(见USB DM/DP切换电路工作原理)。此时插入OTG设备，CC会识别设备类型并通知充电IC提供5V电压，通知DSP开始进行USB握手协议。
[0048] 因VBUS_TYPEC上的电压在快充状态下会达到12V，经过电阻R5，R6和R7分压后加在Q4的栅极上的电压会在3V左右，D1的作用阻止这个3V的电压倒灌回DSP。
[0049] USB_TYPE_SEL脚受DSP控制，当USB_TYPE_SEL脚为高电压时开关管Q5导通，开关管Q5的漏极为低电平，因开关管Q5的漏极经过电阻R6和开关管Q4的栅极连接，此时开关管Q4的栅极为低电平，开关管Q4截止，从而开关管Q2和开关管Q3截止，VBUS电源通路关闭(同时因USB_TYPE_SEL为高时CC会切换到5.1k电阻接地诱骗系统进入host模式同时USB_DM/DP信号会切换到HUB模块上形成HUB扩展多USB口模式，见USB DM/DP切换电路工作原理)。电阻R9默认下拉到地，保持USB_TYPE_SEL默认为低电平。
[0050] 如图5所示，本例USB DM/DP切换电路包括用于切换CC信号的切换芯片U1和用于切换USB_DM/DP信号的切换芯片U2，其中，
[0051] 所述切换芯片U1设有诱骗系统进入host模式的HSD2-引脚6和HSD2+引脚7，其中，所述HSD2-引脚6或HSD2+引脚7分别设有接地电阻，所述接地电阻的阻值为5.1k欧姆，还包括与充电IC相连的D+引脚1、D-引脚2，与DSP的模式切换引脚相连的SEL引脚10、分别接地的OE引脚8和GND引脚3接地、接电源的VCC引脚9、与所述type C接口两个CC引脚相连的HSD1-引脚4、HSD1+引脚5。
[0052] 所述切换芯片U2的结构与切换芯片U1相同，其中，所述切换芯片U2的D+引脚1、D-引脚2分别与DSP相连，所述切换芯片U2的HSD1-引脚4、HSD1+引脚5分别与type C接口的DP和DN引脚相连，所述切换芯片U2的HSD2-引脚6或HSD2+引脚7分别与HUB扩展模块相连。
[0053] 优选的，所述切换芯片U2的HSD1-引脚4、HSD1+引脚5之间设有共模电感L1，所述切换芯片U2的HSD2-引脚6或HSD2+引脚7之间设有共模电感L2。共模电感L1和共模电感L2用来消除USB DM/DP上的共模干扰，保证USB信号
质量。
[0054] 本例在VSYS_PWR电源线上设有一端接地的退耦滤波电容C5和C6，给切换芯片U1和U2的供电脚滤波。切换芯片U1和切换芯片U2的SEL引脚上还分别设有限流电阻，避免USB_TYPE_SEL脚上产生瞬间大电流。
[0055] 本例的工作原理为：
[0056] 切换芯片U1和切换芯片U2使用系统供电，一旦系统装上电池，VSYS_PWR就有电压输出，保证在关机状态下切换芯片U1和U2也能工作。切换芯片U1作用是切换type C的CC信号，切换芯片U2作用是切换USB_DM/DP的信号。关机状态下，切换芯片U1的第8脚OE接地，第10脚SEL脚通过R9下拉接地(见VBUS电源路径管理电路原理部分)，CC信号被U1切到U1的第
4、5脚上与type C接口联通，同理USB3_HS_DM/DP信号被切换芯片U2切到U2的第4、5脚与type C接口联通，可以保持原系统的下载功能。
[0057] 系统开机后DPS可以控制USB_TYPE_SEL为高电平输出将CC信号切换到U1的第6、7脚上通过5.1K电阻接地诱骗系统进入host模式，同时因为USB_TYPE_SEL为高，切换芯片U2会把USB DM/DP信号切换到U2的第6、7脚提供给USB扩展模块，系统可以挂载多种device设备。系统开机状态下插入充电器或连接电脑，DSP通过侦测TYPEC_PLUG_IN_DETECT电平变低后将USB_TYPE_SEL置低，控制U1和U2将CC和USB_DM/DP信号切换到type C座上，DSP可通过CC信号判断接入设备类型并通过USB_DM/DP进行快充协议或者数据连接协议。
[0058] 因CC1和CC2只需要其中一个接5.1k电阻下地即可诱骗系统进入host模式，所以本例R12是预留不贴器件，R11为5.1K电阻。
[0059] 本发明利用简单的电路，实现type C接口的host和device状态切换，host状态可以连接USB HUB扩展多个USB接口，可同时接多个USB外设；device状态可以接充电器充电和连接电脑进行软件下载、数据传输以及debug，满足产品多样化设计需求。
[0060] 以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。
